流域三维可视化与全景化管理研究与应用

邱皓廷，秦挺峰，杨晓丹，张耀华

（1.无锡市水利局，江苏 无锡 214000；2.无锡市河湖治理和水资源管理中心，江苏 无锡 214000）

1 流域数字化管理研究现状

流域管理涉及领域复杂，横向可能涉及多省市、上下游；纵向涉及水利、生态环境、交通等多个部门；管理对象可能涉及泵站、闸站、河道、管网、景观、道路、桥梁、岸线等，管理难度较大。当前数字技术引领的新技术革命和新产业革命加速推进，人类正加速进入数字时代。将数字技术应用到流域管理工作中，能够显著提升流域管理的科学性和效率，使管理更细化充分，真正实现智慧管理。

数字化流域管理是水利信息化发展的必然方向，是实现流域管理与决策支持信息化的重要途径，国内外研究学者对此进行了大量的研究。国内对流域数字化工程研究也广泛开展，华中科技大学张王乘等，主要致力于数字流域的开发与研究，开发了流域水情分析及模拟系统，可为防洪提供水文水情数据和洪水过程预演。清华大学张尚弘等，实现了流域的三维可视化功能，可结合水文水情信息和地理信息系统进行数值模拟研究。当前水利部已启动数字孪生流域建设先行先试项目，黄河、长江、淮河等主要江河流域的数字孪生平台建设陆续实施，构建了流域及工程动态数据资源库。

但当前常用流域可视化系统主要是基于GIS 实现水利模型和水情参数的可视化，正在推进建设的数字孪生流域主要是基于3D+GIS、BIM 等技术，对流域内地形、河流、道路、工程、模拟结果等进行三维可视化渲染。以上系统可对河流水体、岸线利用情况和水利工程等提供演示和模拟仿真，但仍存在以下不足：一是现有的水动力学模型及洪水模拟方法不能很好地满足实时性要求；二是流域三维模拟展示的效果不好，尤其是对水运动过程的仿真，如溃坝过程演进、地表淹没过程演进、河道洪水过程等，还存在提升空间；三是缺少对流域历史演变情况的储存和模拟；四是由于传统的摄像头采集模式效率偏低，可视化系统可展示的流域内特定位置的实景偏少。

2 流域可视化全景化基本概念

2.1 流域三维可视化显示

“十四五”期间水利系统高质量发展的主要目标是建设数字孪生流域，建设“2+N”水利智能业务应用体系，建成智慧水利体系。借助数字孪生技术、混合现实技术等，可以对水利工程这类实体对象在计算机中进行三维动态仿真，即三维可视化。三维可视化是虚拟流域环境的关键支撑技术之一。过去由于GPU 算力有限，要使计算机中的数字孪生模型转化为显示器上的图像，需要耗费大量时间进行计算。但当前GPU 性能的大幅度提高及云渲染图传效能的提升，以及虚拟现实和三维仿真技术的发展，使得虚拟流域的三维可视化仿真成为可能，并可在VR 头戴设备上实现第一人称视角的沉浸式体验。

流域三维可视化不但包括流域地形、地物以及河流水体的建模与场景实时漫游，而且可以与水文水情数学模型计算相结合，进行方案论证、工程运行管理等方面的模拟仿真，把水利计算中所涉及和产生的水文水情数值信息转变为直观的、以图形或图像表示的、随时间和空间变化的信息呈现在用户面前，使用户能够观察到数值计算和模拟的过程和结果，既有精确的数值分析结果，同时还提供了与计算和模拟过程的视觉交互手段，并可以对数学模型的合理性进行有效性分析，从而更加科学地对流域开发规划、防洪减灾和提供辅助决策支持。

2.2 流域全景化显示

三维可视化实现了现实流域的虚拟再现，但是其所构筑的三维流域场景缺乏真实感，无法与实景照片媲美。如谷歌地球、微软必应街景等运用全景技术，将全景图像与地图相结合，可在较高密度的观察视点上全方位还原该处场景的全景图像信息，相较于模拟场景，更加真实、准确、直观；相较于单张全景图片，观察视点多，全局可浏览。鉴于此，本文将全景技术运用于流域，借助混合现实技术、无人机航拍技术、图像合成拼接技术等，通过文字、图像、三维交互、增强现实应用等多元形式，借助各类电子终端，包括头戴显示器设备，可以全面和立体地展示流域相关数据和信息，更为直观、高效地把握流域整体特征。

3 主要数字技术在流域管理中的应用

3.1 流域实景化巡查

3.1.1 非实时实景化展示

目前一些民用导航软件已实现查看道路全景图像的功能，该功能是通过装有全景相机的采集车拍摄照片，并利用计算机进行合成，最终制作出路段各点位的全景图像。但类似技术还未在水利领域规模应用。对于河道、湖泊及相关水利工程，可以通过无人机航拍等方式，合成水利全景图像，还可在该三维实景中嵌入有关信息，实现在数字三维实景中，对河道、湖泊及相关水利工程进行巡查，工作人员远程即可直观地了解流域内全局景象，实景查看特定区域水利设施和实际建设情况，减少实地勘察频次，提高工程设计建造效率。

3.1.2 实时实景化巡查

前述非实时实景数字化展示存在数据和影像资料更新不及时的问题。随着虚拟现实技术的发展，未来还可实现水利工程的实时实景巡查。可在特定位置设置载有全景摄像机、具备通信功能的无人机，巡查人员佩戴VR 头戴显示器设备，远程操控无人机航行，并利用全景摄像机实时将拍摄到的画面发送到VR 头戴显示器设备上，即可实现实时全景勘查特定区域水利设施和实际建设情况的功能。对全时段的涉水工作而言，无人机必须具备防水性能。目前已有相关公司研发出防雨水、甚至可潜入水下的无人机设备，使水下实时实景巡查成为可能。

3.2 流域可视化演示

3.2.1 历史文化遗产三维展示

综合利用视频、三维交互、虚拟现实体验、增强现实应用等多元形式的数字技术，通过场景构建、动态模拟，实现水利遗产在多种电子终端（手机、电脑、VR 头戴设备等）上的数字化重现，并可实现第一人称视角的沉浸式体验。将历史水利遗产资料进行立体化建模和数字化呈现，有利于全面把握水利遗产真实特征，对其进行更为直观的展示。在水利开发过程中对遗产信息数据进行数据建模，也有利于形成遗产的数字化生命周期，提高文化遗产的保护效率和质量。

以运河文化遗产为例，当前运河文化遗产展示中存在展示效率低下、展示内容局限、用户体验不真实的问题。《中国大运河发展报告（2020）》中对《大运河文化保护传承利用规划纲要》进行的解读中也指出，数字大运河文化建设应“从无形到有形，从外延到内涵”。通过对大运河文化遗产的数字化沉浸式展示和重现，可有效挖掘和拓展大运河的文化空间，提高运河文化资源的展出率和能见度。

3.2.2 工程三维展示

对于待建工程，该技术可取代传统效果图，利用该工程的设计图纸等资料，结合BIM、GIS 等多元数据，建立三维数字模型，对该工程在不同天气条件、不同植物类型和状态、不同光照角度等下的三维动态场景进行数字化仿真展示，并可演示水利工程的各关键节点（如闸站、泵站等）的数字孪生控制流程，实现水利工程的全时、全域、全态的孪生图像模拟，还可采用增强现实技术将工程设计效果与真实环境场景融合，便于工作人员更加直观、沉浸地体验工程完工后的实地状况和工程运行状态。该工程的数字孪生数据还可以应用到后期的工程虚拟仿真管理和远程调度中，实现水利工程数字孪生数据的高效利用和统一管理。

对于建成工程，采用增强现实技术，将计算机产生的文字、图像等辅助信息与真实的水利工程场景融合，构建交互式演示系统，产生出一个虚实结合的水利工程演示图像。对于工作人员而言，嵌入真实场景更多工程资料，便于全面和直观地掌握该工程情况。对游客而言，水利景观场景增加了更多图文媒体信息，从视觉角度提升了水利景观特色，丰富了视觉趣味和体验感。

3.3 实时交互虚拟仿真管理

3.3.1 远程调度

通过数字孪生等技术，可以将水利工程及相关机电设施设备的调度虚拟化到数字流域中，构建水利工程运行管理中的物理实体与虚拟空间中人、机、物、环境、信息等要素的相互映射、实时交互、高效协同的管理系统，从而更加直观、全面地反映水利工程运行管理过程全生命周期状态，更加有效地对水利工程中建筑物各部位、闸门、机电设备、观测设施、通讯设施等进行全面的监管和检查[13]。

工作人员在数字化场景中进行操作，如操作机电设备的开关按钮、控制旋钮等，再将操作转换为一定接口标准的控制指令，通过网络传输给远端控制设备，由控制设备来操作具体的机电设备达到调度的目的。远端设备操作的结果、机电设施和设备状态，以及远端传感器获取的数据信息，通过网络传送至数字流域，在数字流域中映射对应设备的实际状态和物理流域的实际情况，通过数字化场景展示给工作人员，实现物理流域和数字流域的“双向映射”，提升流域防洪安全保障能力。

3.3.2 实时模拟和辅助决策

把物理流域数据实时映射到数字流域中，融合多源信息，实时构建流域产汇流、土壤侵蚀、水沙输移、工程调度等数字模型，将极大助力流域防洪抗旱、水资源调配等业务。

以防洪模拟为例，在数字流域中，根据实时水文数据及降雨预报等预测数据，利用对抗神经网络、数值模拟等方法，实时模拟分析不同调度控制条件下的洪水影响情况（如淹没面积、影响人口等），并通过动态图像反映到数字化场景中，以进行超前的洪水推演。通过对比不同调度下的影响情况，并借助计算机智能分析选择最优的调度方案，实现流域洪水调度“虚拟模拟先行，决策调度在后”，以尽早对洪涝灾害采取有效应对措施。该技术将显著提高决策的科学性和时效性，最大限度地避免洪灾带来的损失。

随着人工智能等技术的发展，未来有望进一步打通从数字流域到物理流域的映射关系，实现从预报预测、模拟推演和智能决策的全程智能托管，以在设定工况下自动执行最优化的水利工程调度，从而在物理流域中实现部分或全部的自主管理。

4 结语

流域管理的需求是复杂的，随着流域经济社会发展而发展，流域管理涉及的数据量也较为庞大，且处在加速增长中，而三维可视化和全景化管理系统必然为处理庞大的流域管理数据带来更加便捷高效的用户体验，用户可以利用多种显示设备自如查看所关注的流域细节，并调用相关信息，更好地满足业务处理、监督管理与决策指挥方面的需要。此类技术的应用是流域管理的必然趋势。伴随着数字技术的更新迭代，流域管理数字化系统的研究和建设将是一个长期的过程，流域管理各业务单位和部门应持之以恒并密切配合，保证数字化系统可持续发展并发挥实效，扎实提升我国流域管理水平■